褐色中脈(bmr)高粱農藝性狀與飼用價值

韓云華，王顯國，呼天明，薛建國

(1.西北農林科技大學動物科技學院草業科學系，陜西 楊凌 712100； 2.中國農業大學草地研究所，北京 100193)

褐色中脈(Brown midrib)突變體最早出現在玉米(Zeamays)中[1]，可引起葉片中脈和莖髓褐色色素沉著，除此之外其莖稈和根還會逐漸呈現紅褐色至黃色，普遍認為這種突變品系與木質素含量降低相關。高粱(Sorghumbicolor)中褐色中脈突變體人工誘導成功于1978年[2]，現已鑒定出bmr2、bmr6、bmr12和bmr19四個獨立基因位點[3]，由于bmr19基因位點在2008年才得到鑒定，故現有研究大多集中于bmr6、bmr12兩個基因位點中，其中bmr12基因位點包括兩個等位基因，bmr12和bmr18[4]。

褐色中脈高粱的出現為畜牧業開辟了新的飼料資源，但其較高的飼用價值犧牲了優良的農藝性狀。近年來，科技工作者一直著力于研究和改良bmr高粱農藝性狀，新的bmr雜交品種相繼出現[5-9]。同時，對bmr高粱與其他飼料作物如苜蓿(Medicagosativa)、青貯玉米的飼喂性能比較也有研究，這些研究為bmr高粱在畜牧業中的應用提供了可靠的理論支持。

1 牧草品質和植株反應

bmr6和bmr12基因可分別降低肉桂醇脫氫酶(CAD)[10-12]和咖啡-O-甲基轉移酶(COMT)[13]活性，這兩種酶作用于木質素生物合成最后兩步，導致木質素合成量減少。這種情況的直接結果就是農藝性狀的下降。

1.1木質素和總纖維含量 bmr突變品系出現以來，以其較低的木質素含量得到人們的廣泛重視。bmr6、bmr12、bmr18均能顯著降低木質素含量[2,14-16]。bmr12對木質素降低效果大于bmr6，降幅可達14 g·kg-1(表1)，bmr18對木質素降低效果變化較大，有報道稱bmr18效果小于bmr6[17]，也有報道稱bmr18效果大于bmr6[2]。

bmr基因對木質素的影響為基因效果，與遺傳背景無關[18]，在粒型高粱和高丹草(Z.mays×Sorghumsudanense)兩種遺傳背景下，bmr6基因均能發揮作用，木質素含量從野生型的10.3降至8.5 g·kg-1，其中莖稈中木質素含量從8.3%降至6.1%[19]。

兩個位點bmr基因對木質素降低的作用有累加效應，雙bmr突變品種，即bmr6與bmr12均發生突變的植株中木質素含量比單一bmr6或bmr12突變低。

由于品系與基因的互作效應顯著，bmr高粱中中性洗滌纖維(NDF)變化受遺傳背景影響較大，有報道稱[15,20-21]，bmr12突變品系中NDF含量與野生型相當，還有研究表明，由于bmr6突變品系中纖維素和酸性洗滌木質素(ADL)降低，導致其NDF含量下降[22-24]，其中bmr高粱與蘇丹草(S.sudanense)雜交后NDF降幅可達24 g·kg-1。

1.2植株反應bmr基因對植株農藝性狀有負效應(表2)，這些負效應包括降低株高、增加倒伏、生育期延長、整株干物質含量降低等。通過用具有優良性狀的粒用高粱作輪回親本，與bmr雜交體回交可有效改良這些基因缺陷。

表1 高粱bmr突變品種中酸性洗滌木質素和中性洗滌纖維差異[17,25]Table 1 Difference of acid detergent fiber (ADF) and acid detergent lignin (ADL) in bmr sorghum mutants[17,25]

1.2.1株高、分蘗數和收獲后再生速率 目前普遍認為bmr6基因能降低植株株高，而bmr12對株高的影響不大。bmr6突變品系比bmr12及野生型矮9%[18]。bmr6與bmr12雙突變品系株高與野生型相似，這可能是bmr12對bmr6的補償結果(表3)。甚至有研究表明，bmr12雜交體株高高于野生型[18]。

Casler等[26]發現bmr6品種Piper對環境變化敏感，與Arlington相比，在Wisconsin州和Nebraska州兩地分蘗數均下降67%，導致地面覆蓋率降低，并推測分蘗和株高下降可能是導致產量和干物質降低的原因之一。

bmr6對收獲后植株的二次生長影響顯著，Casler等[26]對比了3個bmr6突變品系及其野生型收獲后的生長情況，發現3個bmr突變品系二次生長株高均低于野生型，其中Greenleaf突變品系收獲后二次生長株高下降5.3%～19.7%。

1.2.2生育期 bmr突變品系一般比野生型生育期長，與野生型相比具有開花晚、成熟晚等特征[7]。Oliver等[18]通過對7個遺傳背景的突變品系研究得出，在試驗的所有遺傳背景中，bmr12均比野生型品種晚熟，bmr12突變品系成熟期比野生型平均晚4 d，比bmr6突變品系晚3 d。

與單突變品系相比，bmr6+bmr12雙突變品系對生育期影響與bmr12相當，50%開花時間與bmr12相近，但都比野生型晚3～4 d(表3)。也有報道稱，bmr12基因會縮短生育期，Pedersden等[5]2006年登記的bmr12+bmr12雙突變雜交品種“Atlas bmr-12”比野生型“Atlas”早熟4 d。

表2 bmr6、bmr12和bmr18突變品種木質素降低的負效應[27]Table 2 Negative effect of reducing lignin caused by bmr gene on plant fitness

表3 bmr基因對高粱植株性狀的影響[6,25]Table 3 Effects of bmr gene on agronomic performance of Sorghum[6,25]

1.2.3種子產量及生物量 種子產量是衡量作物品質優劣的重要指標，bmr基因降低了木質素含量，同時也導致種子產量下降。研究表明[18]，bmr6突變品系比野生型品系籽粒產量降低20%，bmr12突變品系比野生型品系降低24%；將粒用高粱與bmr6突變品系再次雜交的F2代和野生型比較，發現雜交體籽粒產量與野生型相比降低11%，比bmr6突變品系產量下降幅度(24%)有所減小，而bmr12突變品系與粒用高粱再次雜交F2代種子產量已接近野生型。說明通過利用適當的粒用高粱品種與bmr突變品系回交，使粒用高粱優秀農藝性狀在后代雜交體中體現，可能克服bmr基因導致的籽粒產量下降缺陷。

由于株高降低，分蘗減少，與野生高粱相比，bmr顯著降低生物量(表3)。Casler等[26]發現，bmr6高粱蘇丹草3個突變品種Greenleaf、FG和Piper的產量均出現不同程度下降，其中Piper草產量降低幅度約為30%。也有報道稱bmr12高粱秸稈產量高于野生型，Oliver等[18]報道，種子收獲后，bmr12秸稈產量(6 503 kg·hm-2)顯著高于野生型(5 883 kg·hm-2)，也顯著高于bmr6(5 284 kg·hm-2)，bmr雙突變后生物量顯著低于bmr6或bmr12突變品系，可能是bmr雙突變中兩個基因累加效應所致(表3)。

1.2.4抗倒伏性能 木質素降低直接導致植株機械維持性能下降，可能會導致植株抗倒伏性能下降。玉米中bmr基因導致莖稈抗碎強度降低17%～26%[28]，但莖稈抗碎強度與倒伏之間的關系還未見報道。bmr高粱中關于倒伏的研究較少，目前僅有Miron等[29]發現bmr101高粱比商品高粱FS-5宜倒伏，但兩者不是野生型。另一個試驗比較多個bmr高粱品種與野生型高粱品種發現，野生型各品種間以及bmr高粱各品種間抗倒伏性能各不相同，bmr飼用高粱倒伏率均值為10.8%，低于野生型倒伏率均值(18.7%)。若選擇10%倒伏率為可接受限度，有6個bmr品種和12個野生品種符合要求，但是6個bmr品種中的3個遺傳背景相同[30]，某些bmr品種雖然木質素含量比野生型含量高，但仍然出現了倒伏情況。bmr與其野生型抗倒伏性能的對比結果顯示，遺傳背景與抗倒伏性能顯著相關，而bmr基因的影響不顯著(表4)[15]。

表4 高粱中遺傳背景與bmr基因對倒伏的影響[15]Table 4 Effects of genetic background and bmr gene on sorghum lodging[15] %

1.2.5抗病性 木質素構成了植物抵御疾病入侵的第一道物理防線[31-32]，在生物和非生物脅迫下細胞壁迅速積累大量木質素或木質素酚醛聚合物，由此可抵御病原體侵入或阻滯其生長。木質素含量降低，導致植株容易受到病蟲害的侵襲[33-34]。但事實并非如此，培養基接種及花序梗接種鐮刀菌(Fusarium)和鏈格胞菌(Alternariaspp.)試驗表明，bmr雜交高粱對鐮刀菌屬和鏈格胞屬病菌的抗性并未下降，有些甚至高于野生種[35]。在此基礎上，Funnel和Pedersen[36]研究了不同傷應顏色和不同種皮顏色的20個bmr高粱品種，結果表明，白色種皮品種與紅色種皮品種對鏈格胞屬和鐮刀屬病菌抗性相同，但是在適當環境條件下，傷應顏色為褐色的品種可能比傷應顏色為紫色的品種更容易感染鐮刀菌。

據推斷，由于bmr6降低肉桂醇脫氫酶(CAD)活性，bmr12降低咖啡-O-甲基轉移酶(COMT)活性，這兩種酶均作用于木質素合成的最后兩步，酶活性改變后，迫使木質素合成前體積累，進而通過其他途徑轉化成水楊酸和其他芳香族植保素，從而增加植株對病原體的抗性[37]。隨著對bmr基因的進一步了解以及木質素合成生化途徑的完善，bmr基因對于抵御病蟲害的作用及病原反應特性將逐漸清晰。

1.3干物質含量和體外消化速率 bmr突變品系干物質產量低于玉米[38]，Oliver等[18]研究表明，bmr基因對干物質含量影響效果不同，bmr6普遍降低干物質含量，而bmr12和bmr18的效果可能隨著遺傳背景改變而有所變化；種子收獲后，bmr12突變品系秸稈中干物質含量最高，比野生型高11%，bmr6最低，比野生型低10%。殘茬中干物質含量與遺傳背景有關，不同品系表現不一樣，RTx430品系不管是bmr6還是bmr12突變，秸稈中干物質含量均比野生型低，而在Wheatland、Tx623和Tx631中，bmr12突變品系中干物質含量與野生型相當，而bmr6突變品系干物質含量低于野生型。bmr18對干物質含量影響不大，每公頃比野生型高粱低900 kg，而bmr6每公頃比野生型低4 900 kg[17]。

木質素是阻止植物體中中性洗滌纖維消化的主要成分，bmr基因降低木質素含量，可顯著提高中性洗滌纖維體外消化率(IVNDFD)，且不受遺傳背景[19]和生長環境[15]影響。種子收獲后，bmr6秸稈中IVNDFD比野生型提高4%，bmr12比野生型提高10%[18]，bmr12的莖、葉消化率可分別提高7.2%和5.6%[39]。bmr雙突變品系與bmr12單突變品系對IVNDMD的提高幅度相當，比bmr6單突變品系提高7%[40]。

2 飼用價值評價

bmr高梁飼喂研究主要集中在采食量、活體消化率、奶牛活動、產奶量及奶品質方面，現普遍認為，bmr高粱能增加奶牛干物質攝取量，提高產奶量，具有較高飼用價值。同時，也有研究涉及到bmr高粱在羊的養殖中的飼用價值評價。

2.1采食量 bmr高粱能顯著增加奶牛采食量和干物質攝入量。Lusk等[41]報道，小乳牛和產奶乳牛對bmr12高粱的采食量均大于傳統高粱。飼喂bmr高粱的奶牛干物質攝入量為25.3 kg·d-1，顯著高于傳統高粱的20.4 kg·d-1，甚至高于青貯玉米(19.6 kg·d-1)和苜蓿(23.1 kg·d-1)。也有研究表明，以代謝體質量百分比表示時，飼喂青貯玉米干物質攝入量(DMI)最大，飼喂bmr高粱和苜蓿次之，飼喂傳統高粱最低[21]。上述研究中，bmr高粱和青貯玉米、苜蓿的干物質攝入量變化規律不一樣，這可能與選擇的bmr高粱品種遺傳背景有關，但均證實，bmr高粱干物質攝入量均大于傳統高粱。

關于NDF采食量的研究表明，奶牛對NDF的采食量bmr高粱與傳統高粱相近。通過進一步比較奶牛對bmr6與bmr18兩個突變品系的NDF攝入量，Oliver等[17]發現，奶牛NDF采食量bmr18與野生型相當，均比bmr6突變品系大。但飼喂bmr高粱奶牛對木質素的攝入量比傳統高粱低15%[22]。

2.2活體消化率 與傳統高粱相比，bmr高粱中含有大量可消化中性洗滌纖維，這些中性洗滌纖維可在瘤胃中分解，被動物消化，進而顯著提高中性洗滌纖維消化率[17,22,42]。bmr6突變品系中性洗滌纖維消化率為54.4%，bmr18為47.9%，傳統高粱最低，為40.8%[17]。羊的飼喂試驗也證實，bmr高粱品種BMR-101的中性洗滌纖維消化率明顯高于商用高粱品種FS-5[43]。

奶牛對bmr12高粱干物質消化率比傳統高粱高12.9%[41]。bmr6與bmr18的干物質消化率分別為62.9%和69.1%，均高于傳統高粱的52.5%[17]。bmr高粱品種BMR-101和商用高粱品種FS-5青貯料飼喂羊后，干物質表觀消化率相差不大，但是該試驗中BMR-101與商用品種FS-5不是野生型[43]。

2.3對奶牛進食活動的影響 青貯玉米與bmr高粱對奶牛采食時間無明顯差異[29],說明奶牛對bmr青貯料喜食程度與野生高粱無區別。雖然bmr基因導致飼料品質有所變化，但采食bmr高粱對奶牛進食和瘤胃活動無影響，這可能與日糧中飼草比例有關。有報道稱，日糧中飼草含量大于50%時，其NDF含量對奶牛進食活動影響不大[44]。

在bmr6、bmr18和野生型青貯料飼喂奶牛對比試驗中發現，采食野生型高粱青貯料和bmr18突變品系青貯料的奶牛采食時間最長，采食bmr6青貯料的奶牛反芻時間最長，但是飼料種類未對奶牛總的進食活動產生影響[17]。

2.4產奶量及奶品質 傳統高粱中木質素含量較高，且難以被消化，動物攝取大量高粱后，木質素增加了消化道填充率，降低了干物質攝入量，導致產奶量下降。bmr高粱中木質素含量低于傳統高粱，飼喂bmr高粱奶牛對木質素攝入減少15%，產奶量比傳統高粱高23%[23]。

飼喂bmr6奶牛產奶性能優于飼喂bmr18。bmr6突變品系較低的木質素含量使奶牛產奶性能優于飼喂bmr18突變品系，飼喂bmr6突變品系與青貯玉米奶牛產奶量相當，分別為33.7和33.3 kg·d-1，bmr18居中，為31.2 kg·d-1，傳統高粱最低，為29.1 kg·d-1[17]。

標準乳產量飼喂bmr高粱高于飼喂普通高粱。飼喂bmr高粱的奶牛產奶量和4%標準乳產量比飼喂普通高粱的奶牛高13%[20]。在一些木質素含量低至與青貯玉米相當的bmr高粱品種中，飼喂bmr高粱的奶牛產奶量和4%標準乳產量與青貯玉米和苜蓿相當[22,41]。長期飼喂bmr高粱后，奶牛產奶量與青貯玉米相當[21]，且bmr高粱抗旱性優于玉米，在干旱半干旱地區bmr高粱有望取代青貯玉米加入奶牛飼料。

早期飼喂試驗可能是選擇了bmr12或bmr18的原因，飼喂bmr高粱后，牛奶中乳脂含量與飼喂普通高粱無區別，但由于產奶量提高，乳脂總量高[21]。后經進一步對比試驗得出(表5)，飼喂bmr18或bmr12高粱對牛奶中乳脂含量影響不大，而bmr6能將乳脂率從3.57%提高到3.89%[17,41]，已接近青貯玉米。

表5 褐色中脈bmr基因對青貯料營養價值和產奶性能的影響[17]Table 5 Effects of bmr gene on silage feeding value and milk production[17]

飼喂bmr高粱、傳統高粱和青貯玉米三者相比，牛奶中乳蛋白含量相當[21-22]。進一步對比試驗表明，bmr6和bmr18飼喂奶牛后，乳蛋白含量相差不大[17]。bmr高粱對牛奶中乳糖含量影響不大，也有研究發現bmr高粱飼喂奶牛后，乳糖含量較高(4.86%)，且顯著高于傳統高粱(4.72%)[22]。

3 結論與展望

綜合研究，bmr12和bmr18在農藝性狀方面優于bmr6基因，某些性狀已接近甚至超過野生型，而bmr6在飼喂效果方面優于bmr12和bmr18基因，某些bmr6品種產奶量與奶品質已與青貯玉米相當。近年來，bmr6與bmr12雙突變品系的出現，可能會在農藝性狀與飼用價值之間找到一個平衡點。

國外目前研究重點已經由bmr導致木質素降低的表觀效應研究轉移至一系列多樣化功能基因的鑒定工作中[3,45-46]，而國內對于bmr突變品系的相關研究還未見報道。未來bmr高粱的研究可集中在抗倒伏性能、抗病蟲害機理的研究[46]。bmr高粱應用方面，國外已出現bmr高粱在生物能源中的應用[46-50]，并表現出良好的前景。有報道稱，與野生型相比，稀酸處理后bmr6、bmr12和bmr6+bmr12雙突變葡萄糖產量分別提高27%、23%和34%，乙醇產量分別增加22%、21%和43%[47]。

近年來，我國畜牧業迅速發展，而優質飼草資源短缺，據預測國內優質草產品市場容量約為1 000萬t，而每年我國供應苜蓿能力約為20萬t[51]，供需矛盾嚴重。高粱具有高生物量、水肥利用效率高、耐貧瘠、對生物和非生物脅迫抗性強等特性，種植高粱可有效利用鹽堿地和灘涂等土地，增加飼草種植面積。合理利用bmr突變品系特性與傳統粒用高粱雜交培育農藝性狀和飼用價值優良的品種，將使bmr高粱在飼料資源開發中發揮巨大的作用。

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